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DE102019109226A1 - Separator for lithium metal-based batteries - Google Patents

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DE102019109226A1
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Li Yang
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Abstract

Ein modifizierter Separator für eine hochenergetische elektrochemische Zelle auf Lithiummetallbasis und dazugehörige Herstellungsverfahren sind vorgesehen. Der modifizierte Separator beinhaltet ein Substrat mit einem Dotierstoff und eine auf dem dotierten Substrat angeordnete Deckschicht. Der Dotierstoff und die Verbindung, welche die Deckschicht umfasst, sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (AlO), Titandioxid (TiO), Zirkondioxid (ZrO), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (FeO), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO), Tantaloxid (TaO), Lanthanoxid (LaO), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO) und Kombinationen derselben.A modified separator for a high-energy lithium metal-based electrochemical cell and associated manufacturing methods are provided. The modified separator includes a substrate with a dopant and a cap layer disposed on the doped substrate. The dopant and the compound comprising the cap layer are independently selected from the group consisting of: alumina (AlO), titania (TiO), zirconia (ZrO), zinc oxide (ZnO), iron oxide (FeO), tin oxide (SnO) , Silica (SiO), tantalum oxide (TaO), lanthanum oxide (LaO), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO), and combinations thereof.

Description

EINLEITUNGINTRODUCTION

Dieser Abschnitt sieht Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung vor, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.This section provides background information related to the present disclosure, which is not necessarily prior art.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektrochemische Zellen auf Lithium-Metallbasis, die dotierte und beschichtete Separatoren und hochviskose Elektrolyte umfassen, sowie auf Herstellungsverfahren in Verbindung derselben.The present disclosure relates to lithium metal-based electrochemical cells comprising doped and coated separators and high-viscosity electrolytes, and to methods of production in combination therewith.

Vor diesem Hintergrund können elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien beinhalten eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Eine Elektrode dient als positive Elektrode oder Kathode (bei Entladung) und eine andere dient als negative Elektrode oder Anode (bei Entladung). Ein Stapel von Batteriezellen kann elektrisch verbunden sein, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Konventionelle wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien arbeiten durch umkehrbares Hin- und Herleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithium-Ionen geeignet und kann in fester (z. B. Festkörperdiffusion) oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung.Against this background, high energy density electrochemical cells, such as lithium-ion batteries and lithium-sulfur batteries, can be used in a variety of consumer products and vehicles, such as hybrid electric vehicles (HEV) and electric vehicles (EV). Typical lithium-ion and lithium-sulfur batteries include a first electrode, a second electrode, an electrolyte material, and a separator. One electrode serves as a positive electrode or cathode (on discharge) and another serves as a negative electrode or anode (on discharge). A stack of battery cells may be electrically connected to increase overall performance. Conventional rechargeable lithium-ion batteries operate by reversibly forwarding and diverting lithium ions between the negative electrode and the positive electrode and back again. A separator and an electrolyte are disposed between the negative electrode and the positive electrode. The electrolyte is suitable for the conduction of lithium ions and can be in solid (eg solid state diffusion) or liquid form. When charging the battery, lithium ions move from a cathode (positive electrode) to an anode (negative electrode) and when discharging the battery in the opposite direction.

Viele verschiedene Materialien können zur Herstellung von Komponenten für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet werden. Gebräuchliche Materialien für negative Elektroden beinhalten Lithium-Insertionsmaterialien oder Legierungswirtsmaterialien, wie Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen oder Lithium-Silizium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Legierungen und Lithium-Titanat (LTO) (z. B. Li4+xTi5012, wobei 0 ≤ x ≤ 3 ist, wie beispielsweise Li4Ti5O12). Die negative Elektrode kann ebenfalls aus metallischem Lithium bestehen (häufig auch als Lithium-Metall-Anode (LMA) bezeichnet), wodurch die elektrochemische Zelle als Lithium-Metall-Batterie oder -Zelle betrachtet wird. Die Verwendung von metallischem Lithium in der negativen Elektrode einer wiederaufladbaren Batterie hat verschiedene potenzielle Vorteile, darunter die höchste theoretische Kapazität und das niedrigste elektrochemische Potential. So können Batterien mit Lithium-MetallAnoden eine höhere Energiedichte aufweisen, was die Speicherkapazität potenziell verdoppeln und die Größe der Batterie halbieren kann, während sie eine ähnliche Lebensdauer wie andere Lithium-Ionen-Batterien aufrechterhalten. Lithium-Metall-Batterien sind somit einer der vielversprechendsten Kandidaten für Hochenergiespeichersysteme.Many different materials can be used to make components for a lithium-ion battery. Common materials for negative electrodes include lithium insertion materials or alloy host materials such as lithium graphite intercalation compounds or lithium-silicon compounds, lithium-tin alloys, and lithium titanate (LTO) (eg, Li 4 + x Ti 5 O 12 where 0 ≤ x ≤ 3, such as Li 4 Ti 5 O 12 ). The negative electrode may also be made of metallic lithium (often referred to as a lithium metal anode (LMA)), whereby the electrochemical cell is considered a lithium metal battery or cell. The use of metallic lithium in the negative electrode of a rechargeable battery has several potential advantages, including the highest theoretical capacity and the lowest electrochemical potential. For example, batteries with lithium-metal anodes can have a higher energy density, potentially doubling storage capacity and halving the size of the battery while maintaining a similar lifetime to other lithium-ion batteries. Lithium metal batteries are thus one of the most promising candidates for high energy storage systems.

In manchen Fällen weisen Lithium-Metall-Batterien jedoch auch potenzielle Nachteile auf. So kann beispielsweise die vergleichsweise hohe Reaktivität des Lithiummetalls zu Grenzflächeninstabilität und unerwünschten Nebenreaktionen führen. Bei der Herstellung und/oder dem Betrieb der elektrochemischen Zelle können Nebenreaktionen zwischen dem Lithiummetall und verschiedenen Spezies auftreten, denen das Lithiummetall ausgesetzt sein kann. Diese Nebenreaktionen können zu einer ungünstigen Dendritenbildung führen. Weiterhin zeigen Separatoren auf Polyolefinbasis, wie sie in Lithium-Metall-Batterien eingesetzt werden können, in bestimmten Aspekten eine im Allgemeinen geringe Benetzbarkeit gegenüber Elektrolyten. In diesem Fall kann der Elektrolyt den Separator nicht durchdringen oder die Poren des porösen Separators vollständig füllen, was zu einer verminderten Leistung und Lebensdauer der Lithium-Metall-Batterie führt. Dementsprechend wäre es wünschenswert, zuverlässige, leistungsstarke Materialien, wie beispielsweise Separatoren mit vergleichsweise hoher Benetzbarkeit, für den Einsatz in hochenergetischen elektrochemischen Zellen und damit verbundene Verfahren zu entwickeln, welche die Dendritenbildung minimieren oder verhindern.However, in some cases, lithium metal batteries also have potential disadvantages. For example, the comparatively high reactivity of the lithium metal can lead to interfacial instability and undesirable side reactions. During the manufacture and / or operation of the electrochemical cell, side reactions may occur between the lithium metal and various species to which the lithium metal may be exposed. These side reactions can lead to unfavorable dendritic formation. Furthermore, polyolefin-based separators, such as may be used in lithium-metal batteries, exhibit, in certain aspects, a generally low wettability to electrolytes. In this case, the electrolyte can not penetrate the separator or completely fill the pores of the porous separator, resulting in reduced performance and life of the lithium metal battery. Accordingly, it would be desirable to develop reliable, high performance materials, such as comparatively high wettability separators, for use in high energy electrochemical cells and related processes that minimize or prevent dendrite formation.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of the full scope or all features.

In verschiedener Hinsicht bietet die vorliegende Offenbarung einen modifizierten Separator für eine elektrochemische Zelle, die Lithium-Ionen zirkuliert. Der modifizierte Separator kann einen polymeren Separator und ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s beinhalten. Der polymere Separator kann ein dotiertes Substrat und eine darauf angeordnete Deckschicht umfassen. Das Substrat kann mit einem Dotierstoff dotiert werden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben. Die Deckschicht kann eine aus einer Polymerbeschichtung und einer keramischen Metalloxidbeschichtung sein. Die keramische Metalloxidschicht kann mindestens eines der Dotierstoffe beinhalten.In various aspects, the present disclosure provides a modified separator for an electrochemical cell that circulates lithium ions. The modified separator may include a polymeric separator and an electrolyte system having a viscosity ranging from about 50 mPa.s to about 500 mPa.s. The polymeric separator may comprise a doped substrate and a cover layer disposed thereon. The substrate may be doped with a dopant selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO 2 ), and combinations thereof. The cover layer may be one of a polymer coating and a ceramic one Be metal oxide coating. The ceramic metal oxide layer may include at least one of the dopants.

In einem Aspekt kann die Deckschicht eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 µm aufweisen.In one aspect, the capping layer may have a thickness in the range of about 1 nm to about 50 μm.

In einem Aspekt kann die polymere Deckschicht einen aus einem Aluminiumoxidverbund-(Alukon)-Film, einem Zirkoniumalkoxidverbund-(Zirkon)-Film, einem Titanalkoxidverbund-(Titanicon)-Film und einem Polyimidfilm beinhalten.In one aspect, the polymeric cover layer may include one of an aluminum oxide composite (Alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (Titanicon) film, and a polyimide film.

In einem Aspekt kann die polymere Deckschicht einen Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film beinhalten, der ein Vorläufermaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Trimethylaluminium (TMA), Ethylenglykol (EG), Terephthaloylchlorid (TC), Glycidol (GLY), Hydrochinon (HQ) und Kombinationen derselben.In one aspect, the polymeric overcoat layer may include an alumina composite (Alukon) film comprising a precursor material selected from the group consisting of: trimethylaluminum (TMA), ethylene glycol (EG), terephthaloyl chloride (TC), glycidol ( GLY), hydroquinone (HQ) and combinations thereof.

In einem Aspekt kann das Elektrolytsystem eines von einem Elektrolytsystem auf Etherbasis und einem Elektrolytsystem auf Karbonatbasis sein.In one aspect, the electrolyte system may be one of an ether-based electrolyte system and a carbonate-based electrolyte system.

In einem Aspekt kann der modifizierte Separator einen Schmelzpunkt im Bereich von etwa 120 °C bis etwa 200 °C aufweisen, und das Vorläufermaterial für den Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film der polymeren Deckschicht kann eine Kombination von Trimethylaluminium (TMA) und Ethylenglykol (EG) beinhalten.In one aspect, the modified separator may have a melting point in the range of about 120 ° C to about 200 ° C, and the precursor material for the alumina composite (Alukon) film of the polymeric topcoat may be a combination of trimethylaluminum (TMA) and ethylene glycol (EC).

In einem Aspekt kann die polymere Beschichtung eine Molekularschicht-Abscheidungs-(MLD)-Deckschicht sein.In one aspect, the polymeric coating may be a molecular layer deposition (MLD) capping layer.

In einem Aspekt kann die keramikartige Metalloxid-Deckschicht ein keramisches Material beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Siliziumoxid (SiO2) und Kombinationen derselben.In one aspect, the ceramic-like metal oxide cap layer may include a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), silica (SiO 2 ) and combinations thereof.

In einem Aspekt kann die keramische Metalloxidbeschichtung eine Atomschichtabscheidungs-(ALD)-Deckschicht sein.In one aspect, the ceramic metal oxide coating may be an atomic layer deposition (ALD) capping layer.

In einem Aspekt kann das Substrat eine Menge an Dotierstoff im Bereich von etwa 1 g/m2 bis etwa 10 g/m2 beinhalten.In one aspect, the substrate may include an amount of dopant in the range of about 1 g / m 2 to about 10 g / m 2 .

In einem Aspekt kann das Substrat ein Polyolefin beinhalten.In one aspect, the substrate may include a polyolefin.

In einem Aspekt kann das Elektrolytsystem ein Lithiumsalz beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI), Lithium-bis(oxalato)borat (LiB(C2O4)2) (LiBOB), Lithium-difluorooxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumperchlorat (LiClO4), Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4), Lithiumiodid (LiI), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Bis(trifluormethan)sulfonimidisches Lithiumsalz (LiN(CF3SO2)2) und Kombinationen; und ein Lösungsmittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC), Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat, γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton, 1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, 1,3-Dioxolan und Kombinationen derselben.In one aspect, the electrolyte system may include a lithium salt selected from the group consisting of: lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiN (FSO 2 ) 2 ) (LiSFI), lithium bis (oxalato) borate (LiB ( C 2 O 4 ) 2 ) (LiBOB), lithium difluorooxalatoborate (LiBF 2 (C 2 O 4 )), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ), lithium iodide (LiI), lithium bromide (LiBr), lithium thiocyanate (LiSCN ), Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5 ) 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), bis (trifluoromethane) sulfonimidic lithium salt (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) and combinations; and a solvent selected from the group consisting of: ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluoroethylene carbonate (FEC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl formate, methyl acetate, Methyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and combinations thereof.

In verschiedenen Aspekten bietet die vorliegende Offenbarung eine hochenergetische elektrochemische Zelle auf Lithium-Metallbasis, die einen polymeren Separator und eine Elektrode mit einem elektroaktiven Material auf Lithium-Metallbasis beinhaltet und Oberflächen aufweist, die im Wesentlichen frei von Dendritenformationen sind. Der polymere Separator kann ein Substrat beinhalten, das ein Dotierstoff und eine auf dem dotierten Substrat angeordnete Deckschicht umfasst. Der Dotierstoff und die Verbindung, welche die Deckschicht umfasst, können jeweils unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben. Die Deckschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 10 µm aufweisen.In various aspects, the present disclosure provides a high-energy lithium metal-based electrochemical cell including a polymeric separator and an electrode having a lithium metal-based electroactive material and having surfaces that are substantially free of dendrite formations. The polymeric separator may include a substrate comprising a dopant and a cap layer disposed on the doped substrate. The dopant and the compound comprising the capping layer may each be independently selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide ( Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO 2 ) and combinations thereof. The cover layer may have a thickness in the range of about 1 nm to about 10 μm.

In einem Aspekt kann die hochenergetische elektrochemische Zelle auf Lithium-Metallbasis weiterhin ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s beinhalten. Das Elektrolytsystem kann ein in einem organischen Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz beinhalten, wobei das Lithiumsalz eine Konzentration im Elektrolytsystem im Bereich von etwa 2 M bis etwa 5 M aufweist.In one aspect, the high-energy lithium metal-based electrochemical cell may further include an electrolyte system having a viscosity in the range of about 50 mPa.s to about 500 mPa.s. The electrolyte system may include a lithium salt dissolved in an organic solvent, wherein the lithium salt has a concentration in the electrolyte system in the range of about 2 M to about 5 M.

In einem Aspekt kann das Substrat ein Polyolefin beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Kombinationen derselben.In one aspect, the substrate may include a polyolefin selected from the group consisting of: polyethylene (PE), polypropylene (PP), and combinations thereof.

In einem Aspekt kann das Substrat etwa 2 g/m2 bis etwa 5 g/m2 des Dotierstoffs beinhalten.In one aspect, the substrate may include about 2 g / m 2 to about 5 g / m 2 of the dopant.

In noch weiteren Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Separators vor. Das Verfahren kann das Aufbringen einer aus einer polymeren Deckschicht und einer keramischen Metalloxid-Deckschicht auf einen dotierten Separator beinhalten, der eine Blattform aufweist. Der dotierte Separator kann ein Dotierstoff beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3); Titandioxid (TiO2); Zirkondioxid (ZrO2); Zinkoxid (ZnO); Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO); Siliziumoxid (SiO2); Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben.In still other aspects, the present disclosure provides a method of manufacture of a coated separator. The method may include applying one of a polymeric capping layer and a ceramic metal oxide capping layer to a doped separator having a sheet shape. The doped separator may include a dopant selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ); Titanium dioxide (TiO 2 ); Zirconium dioxide (ZrO 2 ); Zinc oxide (ZnO); Iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO); Silicon oxide (SiO 2 ); Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO 2 ) and combinations thereof.

In einem Aspekt kann die Deckschicht eine Dicke von etwa 1 nm bis etwa 50 nm aufweisen, und der beschichtete Separator kann ferner ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s beinhalten.In one aspect, the overcoat layer may have a thickness of about 1 nm to about 50 nm, and the coated separator may further include an electrolyte system having a viscosity of about 50 mPas to about 500 mPas.

In einem Aspekt kann die keramikartige Metalloxid-Deckschicht ein keramisches Material beinhalten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3); Titandioxid (TiO2); Zirkondioxid (ZrO2); Zinkoxid (ZnO); Siliziumoxid (SiO2); und Kombinationen derselben, und kann auf dem dotierten Separator mittels Atomschichtabscheidung (ALD) angeordnet werden.In one aspect, the ceramic-like metal oxide cap layer may include a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ); Titanium dioxide (TiO 2 ); Zirconium dioxide (ZrO 2 ); Zinc oxide (ZnO); Silicon oxide (SiO 2 ); and combinations thereof, and may be disposed on the doped separator by atomic layer deposition (ALD).

In einem Aspekt kann die polymere Deckschicht einen aus einem Aluminiumoxidverbund-(Alukon)-Film, einem Zirkoniumalkoxidverbund-(Zircon)-Film, einem Titanalkoxidverbund-(Titanicon)-Film und einem Polyimidfilm beinhalten und kann auf dem dotierten Separator mittels Molekularschichtabscheidung (MLD) angeordnet werden.In one aspect, the polymeric capping layer may include one of an alumina composite (alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (titanicon) film, and a polyimide film, and may be supported on the doped separator by molecular layer deposition (MLD). to be ordered.

In einem Aspekt kann die polymere Deckschicht ein Alukonfilm sein und das Vorläufermaterial ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Trimethylaluminium (TMA), Ethylenglykol (EG), Terephthaloylchlorid (TC), Glycidol (GLY), Hydrochinon (HQ) und Kombinationen derselben.In one aspect, the polymeric overcoat layer may be an Alconic film and the precursor material is selected from the group consisting of: trimethylaluminum (TMA), ethylene glycol (EG), terephthaloyl chloride (TC), glycidol (GLY), hydroquinone (HQ), and combinations thereof.

Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.Other applications will be apparent from the description provided herein. The description and specific examples in this summary are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

Figurenlistelist of figures

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.

  • 1 ist ein Schaubild einer exemplarischen elektrochemischen Batterie zum Zwecke der Veranschaulichung;
  • 2 ist eine Schnittansicht eines exemplarischen beschichteten Separators, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gebildet wurde; und
  • 3 ist eine grafische Darstellung der Kapazitätserhaltung pro Zyklus von vergleichenden elektrochemischen Zellen, die jeweils ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s und einen Separator auf Polypropylenbasis umfassen.
The drawings described herein are for illustrative purposes only of selected embodiments and are not all the possible implementations and are not intended to limit the scope of the present disclosure.
  • 1 FIG. 12 is a diagram of an exemplary electrochemical battery for purposes of illustration; FIG.
  • 2 FIG. 4 is a sectional view of an exemplary coated separator formed in accordance with certain aspects of the present disclosure; FIG. and
  • 3 Figure 4 is a graph of per-cycle capacity retention of comparative electrochemical cells each comprising an electrolyte system having a viscosity ranging from about 50 mPa.s to about 500 mPa.s and a polypropylene-based separator.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.Like reference characters in the several views of the drawings indicate similar parts.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.Exemplary embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and fully convey the scope of those skilled in the art. Numerous specific details are set forth, such as examples of specific compositions, components, devices and methods described to provide a thorough understanding of embodiments of the present disclosure. Those skilled in the art will recognize that specific details may not be required, that exemplary embodiments may be embodied in many different forms, and that neither of the embodiments is to be construed to limit the scope of the disclosure. In some exemplary embodiments, well-known methods, well-known device structures, and well-known techniques are not described in detail.

Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, Ganzzahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.The terminology used herein is for the purpose of describing particular exemplary embodiments only and is not intended to be limiting in any way. As used herein, the singular forms "a" and "the" may also include plurals, unless the context clearly precludes this. The terms "comprising,""comprising,""including," and "comprising" are inclusive, and therefore, indicate the presence of the specified features, elements, compositions, steps, integers, acts, and / or components, but do not preclude the existence of or adding one or more other features, integers, steps, acts, elements, components, and / or groups thereof. Although the term "comprising" as open-ended is to be understood as a non-limiting term used to describe and claim various of the following Alternatively, the term may alternatively be understood as meaning, for example, instead of being a more limiting and restrictive term such as "consisting of" or "consisting essentially of". Thus, any embodiment that presents compositions, materials, components, elements, functions, integers, operations, and / or method steps, expressly includes embodiments of the present disclosure consisting of, or consisting essentially of, compositions, materials, components, Elements, functions, numbers, operations and / or process steps. By "consisting of", the alternative embodiment excludes any additional compositions, materials, components, elements, functions, numbers, operations, and / or operations, while "consisting essentially of" excludes any additional compositions, materials, components, elements, functions , Numbers, operations and / or process steps, which materially affect the fundamental and novel properties are excluded from such an embodiment, but any compositions, materials, components, elements, functions, integers, operations and / or process steps, the material not the may affect basic and novel characteristics may be included in the embodiment.

Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.All of the method steps, processes, and operations described herein are not to be construed as necessarily requiring the order described or illustrated, unless specifically stated as the order of execution. It should also be understood that additional or alternative steps may be used unless otherwise stated.

Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.When a component, element, or layer is described as "on," "in, engaged," "connected to," or "coupled to," another component or layer, it may are either directly on / on the other component, the other element, or the other layer, in engagement with, connected to, or coupled to, or there may be intervening elements or layers. In contrast, when an element is described as being "directly on," "directly engaged with," "directly connected to," or "directly coupled to" another element or layer, there may be no intervening elements or elements Layers be present. Other words used to describe the relationship between elements are equally understood (eg, "between" and "directly between," "adjacent" and "directly adjacent," etc.). As used herein, the term "and / or" includes all combinations of one or more of the associated listed items.

Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.Although the terms first, second, third, etc., may be used herein to describe various steps, elements, components, regions, layers, and / or sections, these steps, elements, components, regions, layers, and / or sections are not intended to be these expressions are restricted. These terms are only used to distinguish one step, item, component, region, layer, or section from another step, another element, another region, another layer, or another section. Terms such as "first," "second," and other numerical terms, as used herein, do not imply any sequence or order unless clearly indicated by the context. Thus, a first step discussed below, a discussed first element, a discussed component, a discussed region, a discussed layer, or a discussed section could be referred to as a second step, a second element, a second component, a second region, a second layer, or a second region. without deviating from the teachings of the exemplary embodiments.

Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.Spatial or time related terms, such as "before", "after", "inner", "outer", "below", "below", "lower", "above", "upper", and the like, may be used herein to better describe Relationship of an element or a property to other element (s) or property (s), as shown in the figures, are used. Spatial or time related terms may be intended to rewrite various device or system deployments in use or in operation, in addition to the orientation shown in the figures.

In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1% umfassen. Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.In this disclosure, the numerical values basically represent approximate measurements or limits of ranges, such as minor deviations from the particular values and embodiments having approximately that value, as well as those having exactly that value. In contrast to the application examples provided at the end of the detailed description, all numerical values of the parameters (eg, sizes or conditions) in this specification, including the appended claims, are to be understood in all instances by the term "about," whether or not "Approximately" actually appears before the numerical value. "Approximately" indicates that the numerical value disclosed allows for some inaccuracy (with a certain approximation to accuracy in the value, approximately or realistically close to the value, approximate). If the inaccuracy provided by "about" is not otherwise understood by those of ordinary skill in the art to be ordinary, then "about" as used herein will at least indicate variations resulting from ordinary measurement techniques and the use of such parameters. For example, "about" may be a variation of less than or equal to 5%, optionally less than or equal to 4%, optionally less than or equal to 3%, optionally less than or equal to 2%, optionally less than or equal to 1%, optionally less may be equal to or less than 0.5% and may, under certain aspects, be less than or equal to 0.1%. In addition, specifying ranges includes specifying all values and subdivided ranges within the entire range, including the endpoints and subdomains specified for the ranges.

Die vorliegende Offenbarung sieht einen modifizierten Separator für eine hochenergetische elektrochemische Zelle auf Lithium-Metallbasis vor, und entsprechende Verfahren zur Herstellung derselben. Der modifizierte Separator umfasst ein dotiertes Substrat und eine darauf angeordnete Deckschicht. In verschiedenen Fällen umfasst das Substrat einen Dotierstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben. Die Deckschicht kann eine aus einem Polymer und einem keramischen Metalloxid sein. Die polymere Deckschicht kann eine Molekularschichtabscheidungs-(MLD)-Deckschicht sein, die einen Film aus einem Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film, einen Zirkoniumalkoxid-Verbund-(Zircon)-Film, einen Titanalkoxid-Verbund-(Titanicon)-Film und einen Polyimidfilm umfasst. Die keramische Metalloxidbeschichtung kann eine Atomschichtabscheidungs-(ALD)-Deckschicht sein, die ein Keramikmaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkoniumdioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Siliziumoxid (SiO2) und Kombinationen derselben. In verschiedenen Fällen kann die Deckschicht eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm, optional von etwa 1 nm bis etwa 10 nm und in bestimmten Aspekten optional von etwa 2 nm bis etwa 10 nm aufweisen. Der modifizierte Separator kann einen Elektrolyten mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s beinhalten. Der modifizierte Separator kann eine Benetzbarkeit gegenüber dem Elektrolyten aufweisen, die sich durch einen vergleichsweise geringen Kontaktwinkel zeigt. Der Kontaktwinkel kann sich in einem Bereich von etwa 10 Grad bis etwa 40 Grad bewegen.The present disclosure provides a modified separator for a high-energy lithium-metal based electrochemical cell, and corresponding methods for making the same. The modified separator comprises a doped substrate and a cover layer disposed thereon. In various cases, the substrate comprises a dopant selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO 2 ), and combinations thereof. The cover layer may be one of a polymer and a ceramic metal oxide. The polymeric topcoat may be a molecular layer deposition (MLD) topcoat comprising a film of an alumina composite (Alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (Titanicon) film and a polyimide film. The ceramic metal oxide coating may be an atomic layer deposition (ALD) cladding layer comprising a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide ( ZnO), silica (SiO 2 ) and combinations thereof. In various instances, the capping layer may have a thickness in the range of about 1 nm to about 50 nm, optionally from about 1 nm to about 10 nm, and in certain aspects, optionally from about 2 nm to about 10 nm. The modified separator may include an electrolyte having a viscosity in the range of about 50 mPa.s to about 500 mPa.s. The modified separator may have a wettability to the electrolyte exhibited by a comparatively small contact angle. The contact angle may range from about 10 degrees to about 40 degrees.

Eine exemplarische und schematische Darstellung einer Batterie 20, die Lithium-Ionen-Zyklen durchführt, ist in 1 dargestellt. Die Batterie 20 kann eine elektrochemische Lithiumionen-Zelle, eine elektrochemische Lithium-Schwefel-Zelle oder eine Lithium-Selen-Batterie sein, die jeweils eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordneten porösen Separator 26 umfasst. Der Separator 26 umfasst ein Elektrolytsystem 30, das auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 enthalten sein kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der negative Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40 weg. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und Verbrauchervorrichtung 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromabnehmer 34).An exemplary and schematic representation of a battery 20 , which performs lithium-ion cycles, is in 1 shown. The battery 20 may be a lithium ion electrochemical cell, a lithium sulfur electrochemical cell or a lithium selenium battery, each having a negative electrode 22 , a positive electrode 24 and one between the two electrodes 22 . 24 arranged porous separator 26 includes. The separator 26 includes an electrolyte system 30 that also in the negative electrode 22 and the positive electrode 24 may be included. A negative electrode current collector 32 can be at or near the negative electrode 22 be arranged and a positive electrode current collector 34 can be at or near the positive electrode 24 be positioned. The negative electrode current collector 32 and the positive electrode current collector 34 each pick up the electrons and transport the free electrons to and from an external circuit 40 path. An interruptible external circuit 40 and consumer device 42 connects the negative electrode 22 (via their current collector 32 ) and the positive electrode 24 (via their current collector 34 ).

Der poröse Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der poröse Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithiumionen (und der zugehörigen Anionen) während des Zyklus der Lithiumionen, zur Unterstützung der Funktion der Batterie 20 bereitstellen. In Lithium-Ionen-Batterien interkaliert Lithium und/oder Legierungen in den aktiven Elektrodenmaterialien. In einer Lithium-Schwefel-Batterie oder einer Lithium-Selen-Batterie löst sich das Lithium jedoch anstelle von Einlagerungen oder Legierungen von der negativen Elektrode und wandert zur positiven Elektrode, wobei es während der Entladung reagiert/plattiert, während es sich während der Ladung auf der negativen Elektrode befindet.The porous separator 26 , which serves as both an electrical insulator and mechanical support, is between the negative electrode 22 and the positive electrode 24 inserted to prevent physical contact, thereby preventing the occurrence of a short circuit. In addition to providing a physical barrier between the two electrodes 22 . 24 can the porous separator 26 a minimum resistance path for the internal passage of the lithium ions (and associated anions) during the lithium ion cycle, to aid in the functioning of the battery 20 provide. In lithium-ion batteries, lithium and / or alloys intercalate into the active electrode materials. However, in a lithium-sulfur battery or a lithium-selenium battery, instead of deposits or alloys, the lithium dissolves from the negative electrode and travels to the positive electrode, thereby reacting / discharging during discharge while it is being charged the negative electrode is located.

Die Batterie 20 kann durch Anschließen einer externen Stromquelle an die Batterie 20 zum Umkehren der elektroaktiven Reaktionen der Batterieentladung jederzeit wieder aufgeladen und nutzbar gemacht werden. Der Anschluss einer externen Spannungsquelle an die Batterie 20 erzwingt die Erzeugung von Elektronen und die Freisetzung von Lithiumionen aus der positiven Elektrode 24. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithiumionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für die Verwendung im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Somit wird jedes Entladungs- und Ladungsereignis als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen sich zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 hin- und herbewegen.The battery 20 can be done by connecting an external power source to the battery 20 To reverse the electroactive reactions of the battery discharge recharged and harnessed at any time. The connection of an external power source to the battery 20 forces the generation of electrons and the release of lithium ions from the positive electrode 24 , The electrons passing through the external circuit 40 back to the negative electrode 22 flow and the lithium ions passing through the electrolyte 30 through the separator 26 back to the negative electrode 22 be transported, connect again to the negative electrode 22 and refill them with lithium stored for use in the next battery discharge cycle. Thus, each discharge and charge event is considered to be a cycle in which lithium ions are between the positive electrode 24 and the negative electrode 22 to move back and fourth.

Die zum Laden der Batterie 20 verwendete externe Spannungsquelle kann in Größe, Konstruktion und der speziellen Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithiumionen-, Lithium-Schwefel- und Lithium-Selen-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise aus einigen Mikrometern bis einem Millimeter oder weniger in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.The one for charging the battery 20 External power source used may vary in size, construction, and the particular end use of the battery 20 vary. Some noteworthy and exemplary external sources include, but are not limited to, an AC wall outlet and an automotive alternator. In many lithium-ion, lithium-sulfur, and lithium-selenium battery configurations, the negative current collector becomes 32 , the negative electrode 22 , the separator 26 , the positive electrode 24 and the positive pantograph 34 each made as relatively thin layers (e.g., from a few microns to a millimeter or less in thickness) and assembled into layers which are connected in electrical parallel connection to provide a suitable energy package.

Des Weiteren kann die Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Klemmenkappen, Laschen, Batterieklemmen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 können. Wie oben erwähnt, kann die Größe und Form der Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Batterie 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies für den Verbraucher 42 erforderlich ist.Furthermore, the battery 20 include a variety of other components which, although not shown here, are well known to experts. For example, the battery 20 a housing, seals, terminal caps, tabs, battery terminals, and any other conventional components or materials that may be contained within the battery 20 including between or around the negative electrode 22 , the positive electrode 24 and / or the separator 26 can. As mentioned above, the size and shape of the battery 20 vary depending on the particular application for which it is designed. Battery-powered vehicles and portable consumer electronics are two examples where the battery 20 probably would have a different size, capacity and power output. The battery 20 may also be connected in series or in parallel with other, similar lithium-ion cells or batteries to provide greater voltage output, power, and power, if that is to the consumer 42 is required.

Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom an einem Verbraucher 42 erzeugen, der operativ mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. Während die Verbrauchervorrichtung 42 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein vollelektrisches Fahrzeug, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte. Die Verbrauchervorrichtung 42 kann jedoch auch eine Energieerzeugungsvorrichtung sein, die die Batterie 20 lädt, um Energie zu speichern. In einigen anderen Variationen kann die elektrochemische Zelle ein Superkondensator sein, wie beispielsweise ein Superkondensator auf Lithiumionen-Basis.Accordingly, the battery 20 electric power to a consumer 42 generate, which is operative with the external circuit 40 can be connected. While the consumer device 42 may be any number of electrically driven devices, some specific examples of power consuming consumer devices include an electric motor for a hybrid vehicle or for a fully electric vehicle, a laptop computer, a tablet computer, a mobile phone, and a cordless power tool or home appliances. The consumer device 42 However, it may also be a power generating device that the battery 20 loads to save energy. In some other variations, the electrochemical cell may be a supercapacitor, such as a lithium ion-based supercapacitor.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein System 30 beinhalten, das Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann. Das Elektrolytsystem 30 kann eine Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s aufweisen. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere Lithiumsalze beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. In bestimmten Variationen kann der Elektrolyt 30 eine 1M-Lösung eines oder mehrerer Lithiumsalze in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln sein. Zahlreiche herkömmliche, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen können in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden.Referring again to 1 can the positive electrode 24 , the negative electrode 22 and the separator 26 one electrolyte solution or one system each 30 include the lithium ions between the negative electrode 22 and the positive electrode 24 can guide. The electrolyte system 30 may have a viscosity in the range of about 50 mPa.s to about 500 mPa.s. In certain aspects, the electrolyte may 30 an anhydrous liquid electrolyte solution containing one or more lithium salts dissolved in an organic solvent or a mixture of organic solvents. In certain variations, the electrolyte can 30 a 1M solution of one or more lithium salts in one or more organic solvents. Many conventional nonaqueous liquid electrolyte solutions can be used in the lithium ion battery 20 be used.

Eine nicht-einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6); Lithiumperchlorat (LiClO4); Lithiumtetrachloraluminat (LiAlCl4); Lithiumjodid (LiI); Lithiumbromid (LiBr); Lithiumthiocyanat (LiSCN); Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4); Lithiumtetraphenylborat (LiB(C6H5)4); Lithium-bis(oxalat)borat (LiB(C2O4)2)(LiBOB); Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF2(C2O4)), Lithiumhexafluorarsenat (LiAsF6), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF3SO3), Lithiumtrigluormethansulfonimid (LiN(CF3SO2)2), Lithiumbis(fluorsulfonyl)imid (LiN(FSO2)2) (LiSFI) und Kombinationen derselben.A non-limiting list of lithium salts that can be dissolved in an organic solvent to form the nonaqueous liquid electrolyte solution includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ); Lithium perchlorate (LiClO 4 ); Lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ); Lithium iodide (LiI); Lithium bromide (LiBr); Lithium thiocyanate (LiSCN); Lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ); Lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5 ) 4 ); Lithium bis (oxalate) borate (LiB (C 2 O 4 ) 2 ) (LiBOB); Lithium difluorooxalatoborate (LiBF 2 (C 2 O 4 )), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonimide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ), lithium bis (fluorosulfonyl) imide (LiN (FSO 2 ) 2 ) (LiSFI) and combinations thereof.

Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (z. B., Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z. B., Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z. B., Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-lactone (z. B.), γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Kettenstrukturether (z. B., 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (z. B., Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan und Kombinationen derselben, gelöst werden.These and other similar lithium salts can be used in a variety of organic solvents, including, but not limited to, various alkylcarbonates such as cyclic carbonates (e.g., ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), fluoroethylene carbonate (FEC)). ), linear carbonates (eg, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC)), aliphatic carboxylic acid esters (eg, methyl formate, methyl acetate, methyl propionate), γ-lactones (eg) , γ-butyrolactone, γ-valerolactone), chain structure ethers (e.g., 1,2-dimethoxyethane, 1-2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane), cyclic ethers (e.g., tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran), 1.3 Dioxolane and combinations thereof.

In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation, Legierung und Delegierung oder Beschichtung und Abisolierung von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Batterie 20 dient. Die elektroaktiven Materialien der positiven Elektrode 24 können ein oder mehrere Übergangsmetalle, wie beispielsweise Mangan (Mn), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Vanadium (V) und Kombinationen derselben beinhalten. Zwei exemplarisch gängige Klassen bekannter elektroaktiver Materialien, die zum Bilden der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind Lithiumübergangsmetalloxide mit Schichtaufbau und Lithiumübergangsmetalloxide mit Spinellphase. In various aspects, the positive electrode 24 are formed from a lithium-based active material which is sufficiently capable of intercalation and disintercalation, alloying and delegation or coating and stripping of lithium when used as the positive pole of the battery 20 serves. The electroactive materials of the positive electrode 24 may include one or more transition metals such as manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V) and combinations thereof. Two exemplary common classes of known electroactive materials used to form the positive electrode 24 can be used, are layered lithium transition metal oxides and spinel phase lithium transition metal oxides.

So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Fällen ein Übergangsmetalloxid vom Spinelltyp beinhalten, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn(2-x)O4), wobei x typischerweise kleiner als 0,15 ist, einschließlich LiMn2O4 (LMO) und Lithiummangan-Nickeloxid LiMn1,5Ni0,5O4(LMNO). In bestimmten Fällen kann die positive Elektrode 24 Schichtmaterialien wie Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Nickel-Oxid (LiNiO2), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NixMnyCoz)O2) beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, and x + y + z = 1, einschließlich LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2, ein Lithium-Nickel-Kobalt-Metalloxid ((1-x-y)CoxMyO2), wobei 0<x<1, 0<y<1 und M Al, Mn oder dergleichen sein können. Andere bekannte Lithium-Übergangsmetallverbindungen wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li2FePO4F) können ebenfalls verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein elektroaktives Material beinhalten, das Mangan, wie beispielsweise Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn(2-x)O4), ein gemischtes Lithiummangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4), wobei 0 ≤ x ≤ 1, und/oder ein Lithiummangan-Nickel-Kobaltoxid (z. B., LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2) beinhaltet. In einer Lithium-Schwefel-Batterie können positive Elektroden elementaren Schwefel als aktives Material oder ein schwefelhaltiges aktives Material aufweisen.For example, the positive electrode 24 in certain cases, include a spinel type transition metal oxide, such as lithium manganese oxide (Li (1 + x ) Mn (2-x) O 4 ), where x is typically less than 0.15, including LiMn 2 O 4 (LMO) and lithium manganese. Nickel oxide LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 (LMNO). In certain cases, the positive electrode 24 Layered materials such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium nickel manganese cobalt oxide (Li (Ni x Mn y Co z ) O 2 ), where 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, and x + y + z = 1, including LiMn 0.33 Ni 0.33 Co 0.33 O 2 , a lithium nickel cobalt metal oxide ( (1-xy ) Co x M y O 2), where 0 <x <1, 0 <y <1, and M is Al, Mn or the like can. Other known lithium transition metal compounds such as lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or lithium iron fluorophosphate (Li 2 FePO 4 F) can also be used. In certain aspects, the positive electrode may be 24 an electroactive material including manganese such as lithium manganese oxide (Li (1 + x) Mn (2-x) O 4 ), a mixed lithium manganese nickel oxide (LiMn (2-x) Ni x O 4 ) wherein 0 ≤ x ≦ 1, and / or a lithium manganese nickel cobalt oxide (e.g., LiMn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 ). In a lithium-sulfur battery, positive electrodes may include elemental sulfur as the active material or a sulfur-containing active material.

In bestimmten Variationen können diese positiven aktiven Materialien mit einem optionalen elektrisch leitenden Material und mindestens einem polymeren Bindematerial vermischt werden, um das aktive Material auf Lithiumbasis zusammen mit optional darin verteilten elektrisch leitenden Partikeln strukturell zu verstärken. So können beispielsweise die aktiven Materialien und optionale leitfähige Materialien mit derartigen Bindemitteln, wie beispielsweise Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithium-Alginat gegossen werden. Elektrisch leitfähige Materialien können Graphit, kohlenstoffhaltige Materialien, Nickelpulver, Metallpartikel oder ein leitfähiges Polymer umfassen. Kohlenstoffhaltige Materialien können durch ein nicht einschränkendes Beispiel KETCHENTM™ Ruß, DENKATM™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, kann ein positiver Elektrodenstromabnehmer 34 an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 positioniert werden. Der positive Stromabnehmer 34 kann aus Aluminium (Al) oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen.In certain variations, these positive active materials may be mixed with an optional electrically conductive material and at least one polymeric binder material to structurally reinforce the lithium based active material along with optional electrically conductive particles dispersed therein. For example, the active materials and optional conductive materials with such binders as polyvinylidene difluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber or carboxymethylcellulose (CMC), nitrile-butadiene rubber ( NBR), lithium polyacrylate (LiPAA), sodium polyacrylate (NaPAA), sodium alginate, lithium alginate. Electrically conductive materials can include graphite, carbonaceous materials, nickel powder, metal particles, or a conductive polymer. Carbonaceous materials may by way of non-limiting example include KETCHENTM ™ carbon black, DENKATM ™ carbon black, acetylene black, carbon black, and the like. Examples of a conductive polymer include polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole and the like. In certain aspects, mixtures of conductive materials may be used. As mentioned above, a positive electrode current collector 34 at or near the positive electrode 24 be positioned. The positive pantograph 34 may be made of aluminum (Al) or any other suitable electrically conductive material.

Gemäß verschiedenen Aspekten enthält die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithiumionen-Batterie dienen kann. Die negative Elektrode 22 kann somit das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und gegebenenfalls ein anderes elektrisch leitendes Material sowie eine oder mehrere polymere Bindematerialien zum konstruktiven Zusammenhalten des Lithium-Wirtsmaterials beinhalten. Die negative Elektrode 22 kann mehr als etwa 50 % bis weniger als etwa 100 % des elektroaktiven Materials, optional weniger als etwa 30 % eines elektrisch leitfähigen Materials und ein Ausgleichsbindemittel umfassen.According to various aspects, the negative electrode contains 22 an electroactive material as a lithium host material that can serve as a negative terminal of a lithium ion battery. The negative electrode 22 Thus, it may include the electroactive lithium host material and optionally another electrically conductive material and one or more polymeric binding materials for constructively holding the lithium host material together. The negative electrode 22 may comprise greater than about 50% to less than about 100% of the electroactive material, optionally less than about 30% of an electrically conductive material, and a balance binder.

So kann beispielsweise die negative Elektrode 22 in bestimmten Fällen das elektroaktive Material beinhalten, das sich mit einem Bindematerial vermischt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyvinylidendifluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat, Lithium-Alginat, Polyimid und Kombinationen derselben. Geeignete zusätzliche elektrisch leitfähige Materialien können kohlenstoffhaltige Materialien oder ein leitendes Polymer umfassen. Kohlenstoffhaltige Materialien können beispielsweise KETCHENTM™ Ruß, DENKATM™ Ruß, Acetylenruß, Ruß und dergleichen beinhalten. Beispiele eines leitenden Polymers beinhalten Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können Mischungen aus leitfähigen Materialien verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, kann ein negativer Elektrodenstromabnehmer 32 an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 positioniert werden. Der Stromabnehmer 32 kann ein Metall umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Kupfer, Nickel, Eisen, Titan und Kombinationen derselben. Der Stromabnehmer kann beispielsweise aus einer Eisenlegierung, wie beispielsweise Edelstahl, gebildet sein.For example, the negative electrode 22 in certain cases, comprise the electroactive material which mixes with a binder material selected from the group consisting of: polyvinylidene difluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber or carboxymethyl cellulose (CMC), a nitrile butadiene rubber Rubber (NBR), styrene-butadiene rubber (SBR), lithium polyacrylate (LiPAA), sodium polyacrylate (NaPAA), sodium alginate, lithium alginate, polyimide and combinations thereof. Suitable additional electrically conductive materials may include carbonaceous materials or a conductive polymer. Carbonaceous materials may include, for example, KETCHENTM ™ carbon black, DENKATM ™ carbon black, acetylene black, carbon black, and the like. Examples of a conductive polymer include polyaniline, polythiophene, polyacetylene, polypyrrole and the like. In certain aspects, mixtures of conductive materials may be used. As mentioned above, a negative electrode current collector 32 at or near the negative electrode 22 be positioned. The pantograph 32 may comprise a metal selected from the group consisting of: copper, nickel, iron, titanium, and combinations thereof. The pantograph can For example, be formed from an iron alloy, such as stainless steel.

In verschiedenen Aspekten kann der poröse Separator 26 einen mikroporösen, polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin beinhaltet. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtig strukturierte poröse Folien aus Polyethylen (PE) und/oder Polypropylen (PP) sein.In various aspects, the porous separator 26 a microporous polymeric separator containing a polyolefin. The polyolefin may be a homopolymer (derived from a single monomer component) or a heteropolymer (derived from more than one monomer component), which may be either linear or branched. When a heteropolymer is derived from two monomer constituents, the polyolefin may take any copolymer chain arrangement including those of a block copolymer or a random copolymer. Likewise, a polyolefin which is a heteropolymer derived from more than two monomeric constituents may also be a block copolymer or a random copolymer. In certain aspects, the polyolefin may be polyethylene (PE), polypropylene (PP) or a blend of polyethylene (PE) and polypropylene (PP) or multilayer structured porous films of polyethylene (PE) and / or polypropylene (PP).

Wenn der poröse Separator 26 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 26 bilden. In weiteren Aspekten kann der Separator 26 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 26 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein.When the porous separator 26 Being a microporous polymeric separator, it may be a single layer or a multi-layered laminate made by either a dry or a wet process. For example, in one embodiment, a single layer of the polyolefin may comprise the entire microporous polymeric separator 26 form. In other aspects, the separator 26 a fibrous membrane having a plethora of pores extending between opposing surfaces and may, for example, have a thickness of less than one millimeter. As another example, the microporous polymeric separator 26 but also composed of several separate layers of the same or a non-similar polyolefin.

In verschiedenen Aspekten, wie in 2 zu sehen, umfasst der Separator 100 ein dotiertes Substrat 102 und eine darauf angeordnete Deckschicht 104. In verschiedenen Fällen umfasst das Substrat 102 einen Dotierstoff 106, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben. Das dotierte Substrat 102 kann eine Dotierstoffmenge im Bereich von etwa 1 g/m2 bis etwa 10 g/m2, optional von etwa 2 g/m2 bis etwa 5 g/m2 und in bestimmten Aspekten optional von etwa 4 g/m2 bis etwa 5 g/m2 beinhalten. Das dotierte Substrat 102 kann eine Porosität im Bereich von etwa 30 Gurley-Sekunden bis etwa 40 Gurley-Sekunden und in bestimmten Aspekten optional 31 Gurley-Sekunden aufweisen. Das dotierte Substrat 102 kann eine Dicke im Bereich von etwa 15 µm bis etwa 20 µm aufweisen.In different aspects, like in 2 to see includes the separator 100 a doped substrate 102 and a cover layer disposed thereon 104 , In various cases, the substrate comprises 102 a dopant 106 selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2 ), Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), cerium oxide (CeO 2 ), and combinations thereof. The doped substrate 102 may be an amount of dopant ranging from about 1 g / m 2 to about 10 g / m 2 , optionally from about 2 g / m 2 to about 5 g / m 2 and, in certain aspects, optionally from about 4 g / m 2 to about 5 g / m 2 . The doped substrate 102 may have a porosity in the range of about 30 Gurley seconds to about 40 Gurley seconds, and in certain aspects optionally 31 Gurley seconds. The doped substrate 102 may have a thickness in the range of about 15 microns to about 20 microns.

In verschiedenen Fällen kann die Deckschicht 104 eine aus einer polymeren Deckschicht und einer keramischen Metalloxidbeschichtung sein. Die keramische Metalloxid-Deckschicht umfasst ein keramisches Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Siliziumoxid (SiO2) und Kombinationen derselben. Die keramische Metalloxid-Deckschicht kann auf dem dotierten Separator mittels Atomschichtabscheidung (ALD) aufgebracht werden. Die polymere Deckschicht kann einen aus einem Aluminiumoxidverbund-(Alukon)-Film, einem Zirkoniumalkoxidverbund-(Zircon)-Film, einem Titanalkoxidverbund-(Titanicon)-Film und einem Polyimidfilm umfassen und kann auf dem dotierten Separator mittels Molekularschichtabscheidung (MLD) angeordnet werden. Somit kann die Deckschicht 104 in verschiedenen Aspekten eine Verbindung umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2) und Kombinationen derselben. Die Deckschicht kann eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm, optional von etwa 1 nm bis etwa 10 nm und in bestimmten Aspekten optional von etwa 2 nm bis etwa 10 nm aufweisen.In different cases, the topcoat 104 one of a polymeric capping layer and a ceramic metal oxide coating. The ceramic metal oxide cap layer comprises a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), silica (SiO 2 ), and combinations thereof , The ceramic metal oxide capping layer may be deposited on the doped separator by atomic layer deposition (ALD). The polymeric capping layer may comprise one of an aluminum oxide composite (Alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (Titanicon) film, and a polyimide film, and may be disposed on the doped separator by means of molecular layer deposition (MLD). Thus, the cover layer 104 in various aspects comprise a compound selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO ), Silica (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), ceria (CeO 2 ), and combinations thereof. The overcoat layer may have a thickness in the range of about 1 nm to about 50 nm, optionally from about 1 nm to about 10 nm, and in certain aspects optionally from about 2 nm to about 10 nm.

In bestimmten Aspekten weist der modifizierte Separator 100, der ein dotiertes Substrat 102 und die darauf angeordnete Deckschicht 104 umfasst, eine verbesserte Benetzbarkeit gegenüber dem vergleichsweise hochviskosen Elektrolyten (z. B., das Elektrolytsystem 30) auf, während gleichzeitig die Dendritenbildung blockiert wird. Somit wird die langfristige Leistung der elektrochemischen Zelle (z. B. , der Batterie 20), wie beispielsweise einer Batterie auf Lithiummetallbasis, einschließlich des modifizierten Separators verbessert. 3 zeigt beispielsweise die Lade- und Entladeprofile der vergleichenden elektrochemischen Zellen 200, 202, 204 und 206, die jeweils ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s und einen Separator auf Polypropylenbasis beinhalten. Die y1-Achse 210 stellt die Kapazitätserhaltung in Milliampere-Stunden (mAh) dar, während die Zyklusnummer auf der x-Achse 212 dargestellt wird. Die y2-Achse 214 stellt die Effizienz dar.In certain aspects, the modified separator 100 containing a doped substrate 102 and the topcoat disposed thereon 104 comprises improved wettability over the relatively high-viscosity electrolyte (eg, the electrolyte system 30 ) while blocking dendritic formation. Thus, the long-term performance of the electrochemical cell (eg, the battery 20 ), such as a lithium metal based battery, including the modified separator. 3 shows, for example, the charge and discharge profiles of the comparative electrochemical cells 200 . 202 . 204 and 206 each containing an electrolyte system having a viscosity ranging from about 50 mPas to about 500 mPas and a polypropylene-based separator. Y 1 -axis 210 represents capacity conservation in milliampere-hours (mAh) while the cycle number is plotted on x-axis 212. The y 2 -axis 214 represents the efficiency.

Die elektrochemische Zelle 200 beinhaltet einen Basislinien-Separator, der reines Polypropylen und ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität von etwa 100 mPa·s umfasst. Die elektrochemische Zelle 202 beinhaltet einen Separator, der ein Polypropylensubstrat umfasst, das mit einer Deckschicht beschichtet ist, die Al2O3 umfasst und ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität von etwa 100 mPa·s aufweist. Die elektrochemische Zelle 204 beinhaltet einen Separator, der ein Polypropylensubstrat mit einem SiO2-Dotierstoff in einer Menge von etwa 2 g/m2 bis etwa 5 g/m2 und mit einem Elektrolytsystem mit einer Viskosität von etwa 100 mPa·s umfasst. Die elektrochemische Zelle 206 beinhaltet einen Separator, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung aufbereitet wurde. Insbesondere beinhaltet die elektrochemische Zelle 206 den Dotierstoff der elektrochemischen Zelle 204 und die Beschichtung der elektrochemischen Zelle 202 und weist ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität von etwa 100 mPa·s auf. Wie man sieht, weist die elektrochemische Zelle 206 gegenüber den elektrochemischen Zellen 200, 202 und 204 eine deutlich verbesserte Langzeitleistung und Stabilität auf. Dementsprechend weist die elektrochemische Zelle 206, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, eine verbesserte Zyklenleistung und einen verringerten Kapazitätsabfall auf.The electrochemical cell 200 includes a baseline separator comprising pure polypropylene and an electrolyte system having a viscosity of about 100 mPa · s. The electrochemical cell 202 includes a separator comprising a polypropylene substrate coated with a topcoat comprising Al 2 O 3 and having an electrolyte system having a viscosity of about 100 mPa · s. The electrochemical cell 204 includes a separator comprising a polypropylene substrate with an SiO 2 dopant in an amount of about 2 g / m 2 to about 5 g / m 2 and with an electrolyte system having a viscosity of about 100 mPa · s. The electrochemical cell 206 includes a separator prepared in accordance with certain aspects of the present disclosure. In particular, the electrochemical cell includes 206 the dopant of the electrochemical cell 204 and the coating of the electrochemical cell 202 and has an electrolyte system with a viscosity of about 100 mPa · s. As you can see, the electrochemical cell 206 towards the electrochemical cells 200 . 202 and 204 a significantly improved long-term performance and stability. Accordingly, the electrochemical cell 206 In accordance with certain aspects of the present disclosure, the invention has improved cycle performance and reduced capacity degradation.

In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Bilden der Deckschicht des modifizierten Separators dar. In verschiedenen Aspekten beinhaltet das Verfahren das Aufbringen einer aus einer polymeren Deckschicht und einer keramischen Metalloxid-Deckschicht auf einen dotierten Separator. In bestimmten Aspekten kann die polymere Deckschicht beispielsweise durch Molekularschichtabscheidung (MLD) aufgebracht werden. Die polymere Deckschicht, die sich aus der Molekularschichtabscheidung (MLD) ergibt, kann einen Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film, einen Zirkoniumalkoxid-Verbund-(Zircon)-Film, einen Titanalkoxid-Verbund-(Titanicon)-Film und einen Polyimidfilm umfassen. So kann beispielsweise die polymere Deckschicht ein Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film sein, der sich aus einem Vorläufermaterial ergibt, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Trimethylaluminium (TMA), Ethylenglykol (EG), Terephthaloylchlorid (TC), Glycidol (GLY), Hydrochinon (HQ) und Kombinationen derselben.In various aspects, the present disclosure provides a method of forming the overcoat of the modified separator. In various aspects, the method includes applying one of a polymeric overcoat and a ceramic metal oxide overcoat to a doped separator. In certain aspects, the polymeric topcoat may be applied by, for example, molecular layer deposition (MLD). The polymeric overcoat resulting from molecular layer deposition (MLD) may include an alumina composite (Alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (Titanicon) film, and a polyimide film include. For example, the polymeric overcoat may be an alumina composite (Alukon) film resulting from a precursor material selected from the group consisting of: trimethylaluminum (TMA), ethylene glycol (EG), terephthaloyl chloride (TC), glycidol (GLY), hydroquinone (HQ) and combinations thereof.

In bestimmten Aspekten kann die keramische Metalloxid-Deckschicht beispielsweise durch Atomschichtabscheidung (ALD) aufgebracht werden. Die keramische Metalloxid-Deckschicht, die sich aus der Atomschichtabscheidung (ALD) ergibt, kann ein keramisches Material umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3); Titandioxid (TiO2); Zirkoniumdioxid (ZrO2); Zinkoxid (ZnO); Siliziumoxid (SiO2) und Kombinationen derselben und ist auf dem dotierten Separator unter Verwendung von Atomschichtabscheidung (ALD) angeordnet.In certain aspects, the ceramic metal oxide capping layer may be deposited, for example, by atomic layer deposition (ALD). The ceramic metal oxide cap layer resulting from atomic layer deposition (ALD) may comprise a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ); Titanium dioxide (TiO 2 ); Zirconia (ZrO 2 ); Zinc oxide (ZnO); Silicon oxide (SiO 2 ) and combinations thereof and is disposed on the doped separator using atomic layer deposition (ALD).

Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.The foregoing description of the embodiments is merely illustrative and descriptive. It is not meant to be exhaustive and is not intended to limit revelation in any way. Individual elements or features of a particular embodiment are generally not limited to this particular embodiment, but may be interchangeable and optionally usable in a selected embodiment, although not separately illustrated or described. Also various variations are conceivable. These variations are not deviations from the disclosure, and all modifications of this nature are part of the disclosure and are within its scope.

Claims (10)

Modifizierter Separator für eine elektrochemische Zelle, die Lithiumionen recycelt, wobei der modifizierte Separator Folgendes umfasst: einen polymeren Separator, der ein dotiertes Substrat und eine darauf angeordnete Deckschicht umfasst, worin das Substrat mit einem Dotierstoff dotiert ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Eisenoxid (Fe2O3), Zinnoxid (SnO), Siliziumoxid (SiO2), Tantaloxid (Ta2O5), Lanthanoxid (La2O3), Hydrofluorolefin (HfO), Ceroxid (CeO2), und Kombinationen derselben, und die Deckschicht ist eine von einer polymeren Deckschicht und einer keramischen Metalloxid-Deckschicht, worin die keramische Metalloxid-Dotierung mindestens einen der Dotierstoffe umfasst; und ein Elektrolytsystem mit einer Viskosität im Bereich von etwa 50 mPa·s bis etwa 500 mPa·s aufweist.A modified separator for an electrochemical cell that recycles lithium ions, the modified separator comprising: a polymeric separator comprising a doped substrate and a cover layer disposed thereon, wherein the substrate is doped with a dopant selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tin oxide (SnO), silicon oxide (SiO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) , Lanthanum oxide (La 2 O 3 ), hydrofluoroolefin (HfO), ceria (CeO 2 ), and combinations thereof, and the overcoat layer is one of a polymeric overcoat and a ceramic metal oxide overcoat, wherein the ceramic metal oxide doping comprises at least one of the dopants includes; and an electrolyte system having a viscosity in the range of about 50 mPas to about 500 mPas. Modifizierter Separator nach Anspruch 1, worin die Deckschicht eine Dicke im Bereich von etwa 1 nm bis etwa 50 nm aufweist.Modified separator after Claim 1 wherein the cover layer has a thickness in the range of about 1 nm to about 50 nm. Modifizierter Separator nach Anspruch 2, worin die polymere Deckschicht, die einen Film aus einem Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film, einem Zirkoniumalkoxid-Verbund-(Zircon)-Film, einem Titanalkoxid-Verbund-(Titanicon)-Film und einem Polyimidfilm umfasst.Modified separator after Claim 2 wherein the polymeric overcoat comprising a film of an alumina composite (Alukon) film, a zirconium alkoxide composite (zirconium) film, a titanium alkoxide composite (titanicon) film, and a polyimide film. Modifizierter Separator nach Anspruch 3, worin die polymere Deckschicht der Aluminiumoxid-Verbund-(Alukon)-Film ist, der ein Vorläufermaterial beinhaltet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Trimethylaluminium (TMA), Ethylenglykol (EG), Terephthaloylchlorid (TC), Glycidol (GLY), Hydrochinon (HQ) und Kombinationen derselben.Modified separator after Claim 3 wherein the polymeric overcoat is the aluminum oxide composite (Alukon) film comprising a precursor material selected from the group consisting of: trimethylaluminum (TMA), ethylene glycol (EG), terephthaloyl chloride (TC), glycidol (GLY), hydroquinone (HQ) and combinations thereof. Modifizierter Separator nach Anspruch 4, worin der modifizierte Separator einen Schmelzpunkt im Bereich von etwa 120 °C bis etwa 200 °C aufweist und das Vorläufermaterial eine Kombination aus Trimethylaluminium (TMA) und Ethylenglykol (EG) beinhaltet.Modified separator after Claim 4 wherein the modified separator has a melting point in the range of about 120 ° C to about 200 ° C and the precursor material includes a combination of trimethylaluminum (TMA) and ethylene glycol (EG). Modifizierter Separator nach Anspruch 4, worin das Elektrolytsystem eines von einem Elektrolytsystem auf Etherbasis und einem Elektrolytsystem auf Karbonatbasis ist.Modified separator after Claim 4 wherein the electrolyte system is one of an ether-based electrolyte system and a carbonate-based electrolyte system. Modifizierter Separator nach Anspruch 3, worin die polymere Beschichtung eine Molekularschichtabscheidungs-(MLD)-Deckschicht ist.Modified separator after Claim 3 wherein the polymeric coating is a molecular layer deposition (MLD) topcoat. Modifizierter Separator nach Anspruch 7, worin die keramische Metalloxid-Deckschicht ein keramisches Material umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Zirkondioxid (ZrO2), Zinkoxid (ZnO), Siliziumoxid (SiO2) und Kombinationen derselben.Modified separator after Claim 7 wherein the ceramic metal oxide cap layer comprises a ceramic material selected from the group consisting of: alumina (Al 2 O 3 ), titania (TiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), zinc oxide (ZnO), silica (SiO 2 ) and Combinations thereof. Modifizierter Separator nach Anspruch 8, worin die keramische Metalloxidbeschichtung eine Atomschicht-Abscheidungs-(ALD)-Deckschicht ist.Modified separator after Claim 8 wherein the ceramic metal oxide coating is an atomic layer deposition (ALD) capping layer. Modifizierter Separator nach Anspruch 1, worin das Substrat Folgendes umfasst: eine Menge eines Dotierstoffs, im Bereich von etwa 1 g/m2 bis etwa 10 g/m2; und ein Polyolefin.Modified separator after Claim 1 wherein the substrate comprises: an amount of a dopant ranging from about 1 g / m 2 to about 10 g / m 2 ; and a polyolefin.
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